\documentclass[class=book,preview=false,crop=false]{standalone}

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\setcounter{chapter}{6}
\begin{document}
\chapter{Énergie électrique (secondaire)}

\section*{Ressources utilisées}
\begin{itemize}
  \item Belin, 1\re Physique-chimie, Enseignement spécifique (2019)
  \item lelivrescolaire, 1\re Physique-chimie, Enseignement spécifique (2019)
  \item Nathan, 1\re Physique-chimie, Enseignement spécifique (2019)
\end{itemize}


\section*{Éléments imposés possibles}
Effet \textsc{Joule} ; rendement d'une pile ; rendement d'un ballon d'eau chaude... ; transport de l'énergie électrique ; stockage de l'énergie électrique
??

\section*{Introduction pédagogique}

\section*{Pré-requis}
\begin{itemize}
\item Charge électrique, courant électrique continu, expression de son intensité [1\re]
\item Sources réelles de tension continue, caractéristique associée [1\re]
\item Énergie potentielle de pensanteur, énergie cinétique et énergie mécanique (chute libre, finalement) [Collège]
\end{itemize}

\begin{description}
\item[Niveau] Première enseignement de spécialité (ou Terminale S)
\item[Difficultés enseignant·es] Piège qui consisterait, pour cette leçon, à redéfinir les premières notions électriques (intensité, sources de tension...).
  Se concentrer sur la partie « bilan de puissance » pour ce cours permet d'arriver lentement à la partie « rendement d'un convertisseur » qui permet de réinvestir des notions notamment sur les autres formes d'énergie.
\item[Difficultés élèves] Comprendre l'intérêt de la puissance par rapport à l'énergie.
\item[Travaux dirigés]
\item[Travaux pratiques]
\end{description}

Dans le grand thème « L'énergie, conversions et transferts » où l'un des objectifs pédagogiques à long terme est d'éveiller l'esprit critique des élèves sur la demande énergétique de la part de la société et les enjeux, problèmes et solutions, liés à la consommation d'énergie électrique (production, transport, stockage...)
Pour cela, on commencera par contextualiser la leçon pour les élèves avec les dernières données complètement communiquées par EDF ; aussi, on essaiera dans la mesure du possible d'indiquer les dangers liés à l'utilisation d'électricité.

Les pré-requis portent essentiellement sur les notions vues dans un cours qui précèderait celui-ci, qui reprendrait les notions de charge électrique, de courant continu et de son intensité...
Les générateurs de tension continue réels seraient présentés, avec la modélisation par une résistance en série et le tracé/l'étude de leur caractéristique.

% Bien que la notion d'énergie soit déjà connue en seconde et en 1\re, nous insisterons dès le début de la leçon sur sa définition

\section*{Introduction}
Mise en contexte : pourquoi allons-nous nous intéresser à l'« énergie électrique » ?

\projection{
\begin{figure}
  \centering
  \includegraphics[scale=0.2]{consommation-secteurs_2018.png}
  \quad
  \includegraphics[scale=0.2]{production_france_2018.png}\\
  \includegraphics[scale=0.5]{consommation-electricite-residentiel.jpg}\\
  Sources : EDF, futura-science
\end{figure}
}
[Commenter ces données, parler du nucléaire en France, de ce qui consomme le plus chez soi...] et on lit ici des données en \si{\tera\watt\hour}... à quoi cela correspond ? Il s'agit d'une énergie... \si{\tera} correspond à \si{e12}...

Dans le cours précédent, nous avons définit ce qu'était un courant électrique -- un déplacement d'ensemble de porteurs de charge au sein d'un conducteur -- et l'avons caractérisé par son intensité, définie comme :
\begin{equation}
  I = \frac{|Q|}{\Delta t},
\end{equation}
où Q est la charge électrique (en coulombs C) traversant une surface S du conducteur pendant un temps $\Delta t$.
[Insister à l'oral ?]

En seconde, vous avez revu la notion de tension életrique, en particulier pour des dipôles simples comme des résistances ; et au dernier cours, celle-ci a été réinvestie pour comprendre le fonctionnement des sources de tension continue.

Aujourd'hui, nous allons nous intéresser particulièrement aux notions d'énergie et de puissance électrique.
Tâchons dans un premier temps de comprendre ce qu'on va chercher à identifier dans ce cours : l'énergie.

\exemple{Exemple du skieur : un skieur se trouve à l'arrêt en haut d'une piste de ski.
  Il entame la descente, et à mesure qu'il descend, il gagne en vitesse... comment l'interpréter physiquement ?
  On peut utiliser un concept physique qui est celui d'énergie... on considère, comme vous l'avez vu, qu'en haut de la piste, le skieur possède un total énergétique composé uniquement de l'énergie potentielle de pesanteur, provenant du fait que le skieur est en hauteur par rapport à la situation finale.
  Au cours de sa descente, l'énergie potentielle de pesanteur est convertie en énergie cinétique, c'est à dire une énergie liée à la vitesse du skieur.}

  Ce skieur n'est pas notre intérêt principal ici, vous l'avez déjà rencontré plus tôt : ce qui nous intéresse ici, c'est la notion de bilan énergétique.
Notre \textbf{objectif} pour ce cours sera de pouvoir mener des raisonnements analogues de bilan d'énergie, ou plus précisemment de bilan de puissance comme on le verra, pour des systèmes électriques, qui sont à la base de nombreux outils et objets de la vie de tous les jours comme nous en avons parlé au début du cours.

\objectifs{Dresser un bilan énergétique pour un système électrique.

Définir et utiliser un rendement.}
\section{Bilan de puissance dans un circuit}
\textit{Majoritairement inspirée du Belin, 1\re Physique-chimie enseignement spécifique.}
\subsection{Puissance électrique}
Une \emph{puissance électrique} est un débit d'énergie électrique, c'est à dire une quantité d'énergie fournie par un système à un autre par unité de temps.
On l'exprime de la façon suivante :
\begin{equation}
  \mathcal{P} = \frac{\mathcal{E}}{\Delta t},
\end{equation}
où $\mathcal{P}$ est la puissance exprimée en \si{\watt} ou \si{joule\per\second} ; $\mathcal{E}$ est l'énergie en \si{\joule} et $\Delta t$ la durée en \si{\second}.
[Insister sur les unités]

Cette définition n'est pas très utile en l'état : il n'est pas très pratique de travailler avec l'énergie quand on étudie des circuits électriques.
On aborde alors la puissance au travers de deux autres définitions, en différenciant les composants de circuits qui consomment une puissance et ceux qui en fournissent.
\begin{description}
  \item[Puissance consommée par un dipôle récepteur] Un dipôle a un caractère récepteur s'il reçoit de l'énergie électrique et la consomme pour réaliser une action.
    [Déssiner un dipôle passif en convention récepteur]
    La puissance consommée est alors :
    \begin{equation}
      \mathcal{P}_{\text{consommée}} = U_{AB}I
    \end{equation}
  \item[Puissance fournie par un générateur] Un dipôle a un caractère générateur s'il fourtin de l'énergie électrique au reste du circuit.
    [Déssiner un générateur en convention générateur]
    La puissance fournie est alors appelée puissance utile et a comme expression :
    \begin{equation}
      \mathcal{P}_{\text{utile}} = U_{PN}I
    \end{equation}
\end{description}

\remarque{C'est la convention qui va déterminer le signe de l'intensité et de la tension et permettre d'avoir une puissance consommée ou une puissance fournie positive.}

\projection{Ordres de grandeur des puissances consommées/fournies par différents dispositifs. \textit{Belin, 1\re 2019, p.250}
  \begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[scale=0.3]{odg_puissances.jpg}
  \end{figure}
}

\subsection{Bilan de puissance dans un circuit}
Dans un circuit électrique, la puissance utile fournie par le générateur est égale à la puissance consommée par les récepteurs.
\begin{equation}
  \mathcal{P}_{\text{utile}} = \mathcal{P}_{\text{consommée par le(s) récepteur(s)}}
\end{equation}
[Déssiner un circuit simple avec un générateur réel (montrer l'équivalence) et un dipôle.]

On montre avec la modélisation effectuée en cours introductif sur les sources réelles de tension continue que la puissance utile est la différence entre une puissance « chimique » produite (ou autre source) et une puissance dissipée sous forme de chaleur (l'effet \textsc{Joule}).

\projection{Bilan de puissance pour une pile réelle, \textit{Belin, 1\re 2019, p.251}.
  \begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[scale=0.3]{bilan_pile.jpg}
  \end{figure}
}

\subsection{Cas des dipôles ohmiques}
Effet \textsc{Joule} qui peut être recherché ou fui... (voir exemples suivants.)
\experience{Énergie dissipée par effet \textsc{Joule} : calorimétrie ?

Montrer comment une bouilloire fonctionne : la résistance est visible...}

\section{Convertisseurs d'énergie}
\textit{De nombreux éléments imposés sont possibles ici.}

\subsection{Présentation du convertisseur}
Un convertisseur est un dispositif qui convertit une forme d'énergie (entrante) en une autre (sortante).
Vous en connaissez plein !

\projection{Exemples de convertisseurs d'énergie, \textit{Belin, 1\re 2019, p.251}.
  \begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[scale=0.3]{convertisseurs.jpg}
  \end{figure}
}


\subsection{Rendement d'un convertisseur}
Rendement défini comme :
\begin{equation}
  \eta = \frac{\mathcal{P}_{\text{utile}}}{\mathcal{P}_{\text{consommée}}}\text{, ou }\eta = \frac{E_{\text{utile}}}{E_{\text{consommée}}}.
\end{equation}

\projection{
    Source : Nathan p. 269
  \begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[scale=0.3]{convertisseur.jpg}
  \end{figure}
}

\remarque{La puissance consommée est la puissance consommée par l'ensemble du système. Elle contient donc la puissance utile mais aussi la puissance « perdue », il vient donc facilement le fait :
  \begin{equation}
    \eta \leq 1
  \end{equation}
  }
}

\exemple{Rendement d'une perceuse électrique, d'une éolienne, \textit{Belin, p.254}}

\exemple{Rendement d'un ballon d'eau chaude, \textit{lelivrescolaire, p. 290}.}

% \section{Production de l'énergie électrique}

% \section{Transport de l'énergie électrique}

\section*{Conclusion}
\remarque{Les dangers de l'électricité ?
  Arrêt cardiaque, Nathan 1\re S, p. 27.

  Le corps humain possède une résistance constante et peut conduire un courant entre un câble électrique et la terre... utilisation de fusible ??
}
\remarque{Notions de grandeurs efficaces à avoir... (courant continu qu'on aurait pour avoir, en puissance continue, la puissance du système périodique définie comme la moyenne sur la période de la puissance instantannée). \textit{cf.} \textsc{Olivier}, PC/PC*, Référence prépras bleu/vert.)}

% \appendix
\section*{Schémas à réaliser}
\begin{figure}
  \centering
  \includegraphics[scale=0.4]{schema_I_II.jpg}
\end{figure}

% \setcounter{section}{0}
% \section{Nouveau plan}

\end{document}